你有没有想过,物质最底层的世界长什么样?

不是原子,不是电子,是比那还要小得多的东西——夸克。这些小家伙被一种叫"强核力"的神秘力量捆在一起,组成了质子、中子,以及无数其他粒子。问题是,这股力量实在太强了,强到科学家至今没法完全算清楚它到底怎么运作。

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最近,欧洲核子研究中心(CERN)的ATLAS团队干成了一件挺微妙的事:他们在大型强子对撞机(LHC)里,抓拍到了一种理论上早就该存在、但此前没人真正"看见"过的粒子——Bc*+介子。

说人话就是,他们找到了一种更"兴奋"版本的Bc+介子。两者成分一模一样,都是一个粲夸克加一个底反夸克,但Bc*+介子内部转得更快、能量更高,像个上了发条的陀螺。然后它很快冷静下来,变回普通的Bc+介子,同时吐出一个光子。

听起来简单?捕捉这个光子,才是整件事的噩梦。

为什么这个光子这么难抓?

问题出在质量差上。Bc*+介子只比普通Bc+介子重一点点——重多少?团队测出来是64.5 ± 1.4 MeV。这个差距小到离谱,意味着它衰变时放出的光子能量极低,低到什么程度?低到ATLAS探测器平时根本"看不见"它。

打个比方:你平时用望远镜找星星,但这次要找的不是星星,是星星旁边一粒飘过的灰尘。而且这粒灰尘还不会反光,只会偶尔变成一对正负电子,在探测器里留下两道几乎贴在一起的轨迹。

ATLAS团队的办法很巧妙。他们放弃了常规的光子识别手段,转而在追踪探测器里"蹲守"——专门找那些从碰撞点偏移出来、间距极近的正负电子对。这些电子的横向动量可以低到100 MeV,远低于ATLAS平时分析的范围。为此,他们专门开发了一套新的轨迹重建程序,才把这群"隐身"的光子揪出来。

数字背后的小悬念

64.5 MeV。这个数落在理论预测的大致范围内,但和最新、最精密的那批现代计算结果有点偏差。

研究人员自己说得很克制:"这为描述重夸克粒子质量的理论模型提供了有价值的新输入,有助于改进对强核力的理解。"

翻译一下:我们测到了一个数,理论家们,该你们加班了。

这件事的有趣之处在于,它同时展示了粒子物理学的两个侧面。一方面,人类已经能建造27公里长的超导对撞机,把质子加速到接近光速然后对撞,精度高到能分辨几十MeV的质量差;另一方面,关于最基本的强核力,我们仍有大量"不知道"——连一个两夸克系统的精确质量都算不准。

Bc+介子家族之所以特别受关注,正是因为它含有两种不同类型的重夸克。大多数介子要么含一对上下夸克(比如π介子),要么含一对奇异夸克,要么含一对粲夸克或底夸克。但Bc+介子混搭了粲和底,这种"混血"结构让它成为测试强核力理论的绝佳实验室。

接下来呢?这篇论文即将发表在《物理评论快报》(Physics Review Letters)上。而那个64.5 MeV的测量值,会成为理论物理学家调试计算模型的又一个锚点。也许下次你再看到"强核力"这个词时,它背后的方程已经因为这次观测而悄悄更新过一版了。

至于那个能量低到几乎逃逸检测的光子——它其实一直在那里,只是人类花了几十年,才学会怎么看。